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文 章 信 息
揭示水诱导钝化机制并绘制防水镁金属负极
第一作者：李元建
通讯作者：刘巍*，陆俊*， Seh Zhi Wei*
通讯单位：上海科技大学，浙江大学，新加坡科技研究局（A*STAR）
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研 究 背 景
镁金属作为地壳中最丰富的金属元素之一，因其低成本、高比容量及高安全性等优点，被视为下一代可充电电池的有力候选者。然而，传统电解质中，镁金属阳极易出现表面钝化现象，严重影响其电化学性能，而这一问题与水分污染导致的副反应密切相关。尽管研究者已针对水中杂质对电解质与镁阳极界面钝化的负面影响进行了诸多探索，但对于钝化层的化学成分及微观结构的认识仍不充分，而这正是深入理解镁阳极失效机理的关键。
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文 章 简 介
近日，新加坡科技研究局Seh Zhi Wei高级科学家，浙江大学陆俊教授 和上海科技大学刘巍教授首次揭示了水分子诱导的镁钝化机制，并利用简单的铅笔绘制方法实现了防水的镁金属负极。研究结果表明，在镁的钝化过程中伴随有氢气的析出，且该氢气会进一步与镁金属反应生成氢化镁。有氢化镁、氧化镁、和氢氧化镁构成的钝化层会造成负极/电解质界面严重的浓度极化，导致高过电位并加速水侵蚀，从而引起镁金属的快速失效。针对这一问题，研究团队创新性地提出了利用铅笔绘制的石墨层（PDG）作为防钝化中间相，以增强镁金属阳极的稳定性。PDG中间相具有固有的疏水性、高亲镁性以及优异的Mg²⁺扩散能力，不仅有效阻止了水分的侵入，还通过均匀的离子通量和电场分布大幅提高了镁电镀/剥离的可逆性。值得一提的是，即使在水处理后，采用PDG涂层的镁阳极在对称电池中可稳定运行超过900小时，在搭配Mo6S8阴极的全电池中也能稳定运行500次循环以上。此外，防水PDG-Mg阳极的应用前景还延展至简单的水系电解质环境中。本研究的突破性成果不仅加深了我们对镁阳极钝化机理的理解，也为镁金属电池的发展提供了重要的新思路，推动了防水镁电池的实际应用。
相关研究成果“Toward waterproof magnesium metal anodes by uncovering water-induced passivation and drawing water-tolerant interphases ”为题发表在综合类国际顶级期刊Nature Communications上。新加坡科技研究局博士后/Scientist李元建为本文第一作者。
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内 容 表 述
Fig. 1. Schematic illustration of the water-induced Mg passivation and design concept of waterproof Mg electrode by pencil drawing.
Fig. 2 Visualizing water-induced Mg passivation and its inhibition by the PDG interphase.
Fig. 3 Identification of the chemical composition of the water-induced passivation layer.
Fig. 4 Theoretical investigation of the working mechanism of the water-induced passivation layer and the waterproof PDG layer.
Fig. 5 Electrochemical performance of the waterproof electrode.
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小 结
通过对镁钝化层中氢化镁的成功鉴定，以及对水诱导下镁钝化机理的深入研究，我们获得了关键性的科学认知。同时，研究团队还利用铅笔绘制技术，构建了一种创新的保护层，显著增强了镁阳极的防水性能。这些突破性成果不仅为防止镁金属阳极的钝化提供了有效方案，也为开发其他对水分敏感的电池材料铺平了道路。这项研究为未来新型电池材料的设计与优化开辟了新的方向，并有望推动高效、稳定的镁电池在实际应用中的广泛发展。
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文 章 链 接
Toward waterproof magnesium metal anodes by uncovering water-induced passivation and drawing water-tolerant interphases
https://www.nature.com/articles/s41467-024-53796-z
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第 一 作 者 简 介
李元建，新加坡A*STAR材料研究与工程研究所的博士后/Scientist。研究领域是极端工況下高比能锂、镁金属电池的正负极界面设计及能量储存与转化器件中电催化剂的设计。以第一作者在 Nature Communications、ACS Nano、Advanced Functional Materials、Energy Storage Materials, Nano Letters等学术期刊发表 SCI收录论文 40 多篇。
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通 讯 作 者 简 介
刘巍 上海科技大学常任副教授，博士生导师，入选国家高层次青年人才项目。主要开展固态离子导体材料、纳米材料及陶瓷复合材料在能源存储和环境等领域的应用。研究方向包括: 1. 高能量、大功率、安全储能器件以及全固态锂电池的设计与应用；2. 电致变色器件；3.离子筛分膜；4. 柔性功能材料。研究成果发表在Nature Energy, Nature Communications, Science Advances，Advanced Materials, J. Am. Chem. Soc. 等知名国际期刊。
个人主页https://spst.shanghaitech.edu.cn/2018/0301/c2349a51273/page.htm
陆俊，浙江大学求是讲席教授、衢州动力电池和储能研究院院长、国家海外高层次人才。长期从事电极材料设计、先进表征技术、下一代电池技术等领域的科研和工业实践工作，发表论文700余篇，其中Science 1篇，Nature 6篇，Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Review Materials、Nature Sustainability、Nature Communications等70余篇。所研发的高镍正极材料已实现技术成果转让，此技术荣获2019年R&D 100 Award。累计获得授权PCT专利20余件，产品已广泛应用于动力电池及储能等领域。获电化学能源储存与转换领域内20多项重要国际奖励，包括美国电化学会电池分会技术奖（2022）、美国化学会能源与燃料部（ENFL）电化学储能杰出研究员奖（2022）、国际电池材料协会（IBA）杰出研究奖（2022）等，担任多种重要学术兼职，包括任国际期刊ACS Applied Materials & Interfaces副主编等。课题组网站http://www.lubattery.cn。
Seh Zhi Wei，新加坡A*STAR材料研究与工程研究所的高级科学家，入选《麻省理工学院科技评论》“TR35 全球科技创新领军人物”（Innovators Under 35）亚太区榜单，科睿唯安（Clarivate Analytics）材料/化学领域高被引科学家。研究领域是设计用于储能和转换的新材料，包括先进的电池和电催化剂。研究成果包括设计了锂硫电池中的第一个蛋黄壳结构，MXenes作为析氢和二氧化碳还原电催化剂的第一个实验演示。发表论文100余篇，包括Science (1)、Nature Catalysis (1)、Nature Synthesis (1)、Nature Reviews Materials (2)、Nature Machine Intelligence (1)、Nature Communications (3) 、Science Advances (1)等。据google scholar, 所发论文引用超过36988次，H因子为70。课题组网站https://www.zwseh.com。
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